Сплав — это металлическое вещество, полученное путём соединения двух или более химических элементов, по крайней мере один из которых является металлом, обычно путём плавления и последующего охлаждения компонентов. Магнетизм — это физическое явление, возникающее в результате движения и ориентации электронов в атомах материала.Магнитные свойства сплавов сильно различаются: некоторые из них обладают сильным магнетизмом, другие — слабым, а многие — немагнитными. Магнитные свойства сплава не наследуются от его компонентов, а являются прямым следствием новой атомной структуры, формирующейся в процессе легирования.
Фундаментальная физика магнетизма
Чтобы обладать сильным магнетизмом, известным как ферромагнетизм, материал должен иметь определенные внутренние свойства. Это мощное магнитное свойство обусловлено электронами, вращающимися вокруг атомного ядра. Электроны обладают собственным спином, благодаря которому каждый из них действует как крошечный магнит. Чтобы материал обладал сильными магнитными свойствами, значительное количество этих электронных спинов должно быть неспаренным, то есть у них нет противоположного электрона, который мог бы компенсировать их магнитный момент.
Железо, никель и кобальт — единственные элементы, которые являются ферромагнетиками при комнатной температуре или выше, поскольку они естественным образом удовлетворяют требованию наличия неспаренных электронов. В этих металлах магнитные моменты соседних атомов спонтанно выстраиваются в одном направлении в небольших локализованных областях, называемых магнитными доменами. В отсутствие внешнего магнитного поля домены ориентированы в разных направлениях, и металл не обладает суммарным магнетизмом.
Под действием внешнего магнитного поля границы доменов смещаются, а отдельные домены вращаются, ориентируясь по направлению поля. Такое коллективное выравнивание бесчисленных атомных магнитных моментов и создает сильное притяжение, характерное для ферромагнитных металлов. Сила этого притяжения полностью зависит от того, насколько эти домены могут выровняться и сохранить это положение после снятия внешнего поля.
Как легирование влияет на магнитные свойства?
Добавление второго элемента коренным образом меняет расположение атомов в исходном металле, влияя на его магнитные свойства. Легирующие элементы могут быть либо интерстициальными (заполняющими пустоты), либо замещающими (заменяющими атомы основного элемента) в кристаллической структуре. Изменение расстояния между атомами и их положения напрямую влияет на квантово-механическую силу, известную как обменное взаимодействие, которая связывает спины соседних электронов.
Одно из самых кардинальных изменений происходит, когда легирующие элементы нарушают необходимое выравнивание магнитных доменов. Например, чистое железо обладает сильными магнитными свойствами, но при добавлении большого количества хрома и никеля, как в аустенитной нержавеющей стали марки 304, материал становится немагнитным. Это происходит потому, что легирующие элементы заставляют атомы железа образовывать другую структуру кристаллической решетки, а именно гранецентрированную кубическую (ГЦК) аустенитную фазу, которая препятствует выравниванию спинов электронов.
С другой стороны, легирование иногда может привести к возникновению ферромагнетизма в материалах, чистые составляющие которых не обладают магнитными свойствами. Яркий пример — сплавы Гейслера, которые обладают сильными магнитными свойствами, несмотря на то, что содержат немагнитные металлы, такие как медь, марганец и алюминий. Этот парадоксальный эффект возникает из-за того, что особое расстояние между атомами в кристаллической структуре сплава способствует необходимому обменному взаимодействию между атомами. Таким образом, магнетизм в сплавах определяется структурной средой, которая способствует согласованному выравниванию спинов электронов, а не просто наличием железа или никеля.
Основные категории и области применения магнитных сплавов.
Магнитные сплавы принято делить на категории в зависимости от их способности сохранять намагниченность — свойства, определяемого коэрцитивной силой. Согласно этой классификации, различают сплавы, которые легко намагничиваются и размагничиваются, и сплавы, которые сохраняют сильное магнитное поле. Обе категории незаменимы в современной технике, и каждая из них служит определенной функциональной цели.
Мягкие магнитные сплавы характеризуются низкой коэрцитивной силой, то есть быстро теряют намагниченность при исчезновении внешнего поля. Эти сплавы имеют малую петлю магнитного гистерезиса, что приводит к минимальным потерям энергии при быстром намагничивании и размагничивании. К таким сплавам относятся кремнистые стали (используются в сердечниках трансформаторов) и пермаллои (никелево-железные сплавы). Благодаря способности быстро менять магнитную полярность они идеально подходят для изготовления электромагнитов, электродвигателей и магнитных экранов.
Твёрдые магнитные сплавы, или постоянные магниты, обладают высокой коэрцитивной силой, что позволяет им сохранять сильное магнитное поле в течение неограниченного времени после воздействия намагничивающего поля. Эти материалы имеют большую петлю гистерезиса, и для их размагничивания требуется значительная энергия. Самыми мощными постоянными магнитами являются сплавы редкоземельных металлов, такие как неодим-железо-бор (NdFeB), которые произвели революцию во многих отраслях благодаря своей исключительной прочности. К другим примерам относятся сплавы альнико (алюминий, никель и кобальт), которые используются в динамиках и звукоснимателях электрогитар.
Немагнитные сплавы выбирают для тех областей применения, где магнитные помехи могут нанести вред. К таким сплавам относятся высоконикелевые нержавеющие стали, латунь и бронза. Они используются в морской среде, в медицинских устройствах, таких как аппараты МРТ, а также в чувствительных электронных корпусах. Их способность не реагировать на магнитное поле делает их ценными для этих специализированных областей применения.
